Digitale Datenspeicher 7 Tipps für die Entwicklung robuster und zuverlässiger Speichersysteme

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Nichtflüchtige digitale Datenspeicher müssen je nach Anwendungsfall unterschiedliche Anforderungen erfüllen. Bei industriell eingesetzten Produkten steht Zuverlässigkeit dabei wohl an erster Stelle. Doch es gibt auch andere wichtige Punkte zu beachten.

Die Entwicklung eingebetteter Systeme ist eine komplexe Sache. Bei der Suche nach einem NAND-Flash-basierten Speichersystem, das sowohl zuverlässig als auch robust ist, gibt es viele verschiedene Faktoren zu berücksichtigen. Einer der wichtigsten davon ist der Flash-Controller. Bei SSDs, USB-Flash-Laufwerken, eMMC-Modulen, SD-Karten und anderen Formen von verwalteten NAND-Geräten spielt der Controller eine zentrale Rolle, da er für die Regulierung des Systemverhaltens und die Zuverlässigkeit verantwortlich ist. Darüber hinaus müssen bei der Auswahl der Flash-Controller Leistung und Kosteneffizienz gegeneinander abgewogen werden, wobei die Gewichtung je nach Branche und Anwendungsfall variieren.

Der Controller ist zwar ein wesentlicher Bestandteil des Speichersystemdesigns, aber doch nur ein Teil des Gesamtpuzzles. Angesichts der Vielzahl an Systemen und Controllern, die zur Verfügung stehen, sehen sich die Entwickler mit einer überwältigenden Fülle an Überlegungen, Entscheidungen und Kompromissen konfrontiert, die sie treffen müssen. Und für Teams, die nach industrietauglichen, hochzuverlässigen Speichersystemen suchen, steht viel auf dem Spiel. Um ein robustes und zuverlässiges Speichersystem zu entwickeln, können die folgenden Tipps als Hilfestellung dienen.

1. Anforderungen definieren und verstehen

Die Entwicklung eines hochwertigen Datenspeichersystems beginnt mit der Schaffung der richtigen Grundlage. Das bedeutet, dass Entwickler sich ein klares Bild davon machen müssen, was genau sie von einem Speichersystem erwarten. Zum Beispiel:

• Was sind die spezifischen Anwendungsfälle?

• Welche Anforderungen werden an das System gestellt?

• Welche Branchenanforderungen muss es erfüllen?

Die Beantwortung dieser Fragen ist ein wichtiger Teil des Designprozesses. Zum einen haben verschiedene Anwendungsfälle unterschiedliche Auswirkungen auf die Leistung und die Lebensdauer des Systems. Zum anderen haben verschiedene Branchen oft unterschiedliche Speicheranforderungen, was bedeutet, dass nicht einfach ein Design für alle Anwendungen verwendet werden kann. So steht bei Verbraucheranwendungen oft die Kostenreduzierung im Vordergrund, bei Unternehmen ist die Geschwindigkeit ein entscheidender Faktor, während bei industriellen Anwendungen eher die Zuverlässigkeit im Vordergrund steht.

Ohne die richtigen Überlegungen können Teams am Ende ein Speichersystem entwerfen, das den primären Anforderungen ihrer Branche einfach nicht gerecht wird. Auf lange Sicht kann dies zu Systemausfällen, unerwarteten Kosten und Kundenbeschwerden führen. Wenn sie dagegen ein Speichersystem entwerfen, das genau auf spezifische Anforderungen zugeschnitten ist, kann es effizient für den vorgesehenen Anwendungsfall eingesetzt werden. Um ein solches maßgeschneidertes Design zu entwickeln, müssen die Designer also zunächst die individuellen Anforderungen genau verstehen.

2. Wissen, was Geschwindigkeit wirklich bedeutet

Eine möglichst hohe Geschwindigkeit das Ziel der meisten Speichersysteme. Aber es herrscht oft Uneinigkeit darüber, worauf sich diese Geschwindigkeit bezieht.

Vor allem müssen die Entwickler von Datenspeichersystemen bedenken, dass die Geschwindigkeit mit der Zeit nachlässt. Diese Verschlechterung ist unvermeidlich, da NAND-Flashspeicher eine begrenzte Anzahl von Programm-/Löschzyklen (P/E) bereitstellen. Daher besteht ein deutlicher Unterschied zwischen der Geschwindigkeit bei der ersten Inbetriebnahme (Fresh-Out-of-the-Box, FOB) und der Geschwindigkeit im dauerhaften Betrieb (Steady State).

Die FOB-Geschwindigkeit gibt an, wie schnell ein Flash-Laufwerk im Neuzustand ist. In der Regel ist die FOB-Geschwindigkeit sehr hoch; leider entspricht sie nicht der tatsächlichen Geschwindigkeit, die ein Flashspeicher über seine Nutzungsdauer erreicht. Je mehr das Laufwerk beschrieben wird (d.h. je mehr Daten hinzugefügt und alte Daten gelöscht werden), desto mehr Anforderungen werden u.a. an den Flash-Controller gestellt, was letztendlich zu Leistungseinbußen führt.

Diese reduzierte Geschwindigkeit wird als Steady-State-Geschwindigkeit des Systems bezeichnet. Leider können Entwickler nicht ohne weiteres vorhersagen, wie hoch diese Geschwindigkeit sein wird. Auch wenn ein hochwertiger Controller die Geschwindigkeit entscheidend beeinflussen kann, ist es wichtig, mit einem Designteam zusammenzuarbeiten, das weiß, von welchen Faktoren die Geschwindigkeit beeinflusst wird.

3. Auf Stromausfälle vorbereiten

Stromausfälle sind zwar selten, aber letztlich leider unvermeidlich. Man kann und sollte ein System so gestalten, dass es auf solche Ausfälle vorbereitet ist. Die Vernachlässigung der Frage, ob ein Gerät stromausfallsicher ist, kann im Nachhinein verheerende Folgen haben. Ein Stromausfall kann beispielsweise zu beschädigten oder fehlenden Daten, kostspieligen Ausfallzeiten, einem beschädigten Ruf und vielem mehr führen.

Bei der Entwicklung eines Speichersystems müssen die Entwickler daher unbedingt berücksichtigen, wie anfällig ihr System für unerwartete Stromausfälle ist. In industriellen Umgebungen, in denen die Folgen von Stromausfällen gravierend sind, sollten Maßnahmen ergriffen werden, damit das System keinen Schaden durch derartige Ausfälle erleidet oder Daten korrumpieren.

Auch hier kann die Verwendung des richtigen Flash-Controllers den Unterschied ausmachen. So stellen einige Controller bei einem Stromausfall den letzten gültigen Eintrag auf der Grundlage des Protokolls der letzten Flash-Transaktionen wieder her, während andere dies nicht tun. Ein Controller kann auch die Versorgungsspannung überwachen. Wird ein Spannungsabfall festgestellt und kommt es zu einem Stromausfall, kann der Controller Flash-Zugriffe frühzeitig stoppen und so unerwünschte Probleme verhindern.

Unabhängig von der Branche ist es ein Kennzeichen eines zuverlässigen Speichersystems, dass es auf das Unerwartete vorbereitet ist.

4. Weniger Kapazität für mehr Leistung und Zuverlässigkeit

Spitzengeschwindigkeit und Zuverlässigkeit stehen bei der Entwicklung von Speichersystemen immer an erster Stelle. Und in einigen Fällen ist es möglich, die Leistung und Zuverlässigkeit zu verbessern, indem man auf Speicherkapazität verzichtet.

In der industriellen Automatisierung, der Netzwerktechnik und der Robotik sind beispielsweise höchste Zuverlässigkeit, Ausdauer und Geschwindigkeit gefragt. Aus diesem Grund entscheiden sich industrielle Entwicklungsteams häufig für SLC-Flash (Single-Level-Cell). SLC-Flash bietet eine schnellere Schreibleistung und höhere Zuverlässigkeit als TLC-Flash (Triple-Level-Cell). Das liegt zum Teil daran, dass SLC-Flash 1 Bit pro Zelle speichert, während TLC-Flashes 3 Bits pro Zelle speichert. Bei SLC-Flash ist der Preis pro GB allerdings auch höher.

Wer ein Speichersystem entwerfen möchten, das eine vergleichbare Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit wie SLC zu einem günstigeren Preis pro Byte bietet, sollte pSLC-Flash (Pseudo-SLC-Flash) in Betracht ziehen. Durch die Verwendung von TLC-Flash, bei dem jedoch nur 1 Bit pro Zelle gespeichert wird, wird die Kapazität reduziert zugunsten höherer Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit – und das zu einem attraktiveren Preis im Vergleich zu nativem SLC-Flash.

Ähnliche Effekte lassen sich durch Over-Provisioning (OP) erzielen, bei dem bestimmte Flash-Speicherbereiche für die Verwaltungsdaten des Controllers reserviert werden, wodurch der verfügbare Platz für das Speichern von Benutzerdaten verringert wird. Designteams können diesen dedizierten OP-Speicherplatz an ihre spezifischen Branchenpräferenzen anpassen. Auf diese Weise ist OP eine weitere kosteneffiziente Lösung, um beim Design von Speichersystemen höhere Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit zu erreichen.

5. Zustandsüberwachung mit SMART Tools

Unabhängig von ihrem Design haben alle Speichersysteme unweigerlich eine begrenzte Lebensdauer. Zu den vielen Faktoren, die sich auf die Lebensdauer eines Systems auswirken, gehören u. a. P/E-Zyklen (Program/Erase), spezifische Anwendungsfälle und Umweltbedingungen. Zwar lassen sich einige Symptome eines alternden Speichersystems durch planmäßige Wartung lindern, doch selbst eine regelmäßige Wartung kann nicht dafür sorgen, dass ein System ewig lebt.

Aus diesem Grund spielt die Zustandsüberwachung bei der Verwaltung und Wartung von Speichersystemen eine so wichtige Rolle. Neben der Überwachung der Lebensdauer eines Flash-Geräts helfen Tools zur Zustandsüberwachung auch dabei, einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten und unerwartete Systemausfälle zu verhindern. Insbesondere für industrielle Umgebungen, in denen hohe Kosten anfallen und geschäftskritische Anwendungen die Norm sind, ist die Zustandsüberwachung unerlässlich.

Die SMART-Tools (Self-Monitoring, Analysis, and Reporting Technology) bieten viele Möglichkeiten für die Verwaltung von Speichersystemen. Mit SMART als Teil Ihres Systems kann ein Flash-Controller beispielsweise Daten über den Status des NAND-Flashs sammeln und liefern. Sollte ein Ausfall des Geräts drohen, kann der Controller mit einem Bericht über wichtige Statistiken warnen.

6. Total Cost of Ownership berücksichtigen

Bei der Entwicklung von Speichersystemen kommt man um das Thema Kosten nicht herum. Aber während der Anschaffungspreis viel Aufmerksamkeit erhält, sollten die Entwicklungsteams außerdem auch auf die Total Cost of Ownership (TCO) achten.

Die TCO umfassen weitaus mehr als nur den Kaufpreis. Sie umfassen alle Betriebskosten des Systems während seiner Lebensdauer, z. B. für Strom, Wartung, Reparatur und Ersatz. Darüber hinaus umfassen die TCO auch Kosten, die aufgrund von Leistungs- und Zuverlässigkeitseinbußen, Sicherheitsverletzungen, Backup und Wiederherstellung usw. entstehen. In den meisten industriellen Umgebungen macht der Kaufpreis nur einen Bruchteil der TCO aus.

Ein günstigerer Anschaffungspreis mag zwar zunächst verlockend erscheinen, führt aber oft zu höheren TCO im Nachhinein. Günstige Controller verfügen beispielsweise über weniger Funktionen und Hardware-Support. Dadurch sind sie anfälliger für Probleme wie nicht optimales Wear-Leveling und schlechte Fehlerbehandlung, was die Lebensdauer eines Systems verkürzen kann. In einigen Fällen können die Kosten für einen einzigen Systemausfall leicht den Kaufpreis übersteigen. Wer bei der Systementwicklung zu sehr auf die Kosten schaut, riskiert möglicherweise mehr Datenverluste, Ausfallzeiten und höhere Gesamtbetriebskosten – nichts davon ist am Ende einen niedrigeren Anschaffungspreis wert.

7. Identifizieren Sie den richtigen Partner

Bei der Entwicklung eines Speichersystems besteht die erste Aufgabe darin, den richtigen Partner zu finden. Zwischen Geschwindigkeitsanforderungen, Werkzeugen zur Zustandsüberwachung, Vorbereitung auf Stromausfälle und TCO gibt es viele Entscheidungen, Überlegungen und Abwägungen zu treffen. Vor allem, wenn ein Speichersystem für die eigenen Anwendungen essenziell ist, wenn es sensible Daten sichert oder wenn ein Systemausfall kostspielige Ausfallzeiten verursachen könnte, ist es für die letztendliche Effizienz des Systems entscheidend, einen Partner zu finden, der über die Kompetenz und Erfahrung verfügt, um Sie durch den anspruchsvollen Entwicklungsprozess zu begleiten.

Heute gibt es eine breite Palette von Flash-Controllern mit unterschiedlichen Schnittstellenoptionen und Qualitätsstufen. Aufgrund der physikalischen Eigenschaften des NAND-Flash-Speichers ist eine zuverlässige Datenverarbeitung jedoch nur mit einem hochwertigen NAND-Flash-Speicher-Controller möglich, der den Einsatz von NAND-Flash in anspruchsvollen Anwendungen ermöglicht.

Hyperstone bietet zuverlässige NAND-Flash-Speicher-Controller für industrielle und eingebettete NAND-Flash-basierte Speicherlösungen, die höchste Zuverlässigkeit mit einer langen Systemlebensdauer kombinieren, um die Anforderungen der anspruchsvollsten industriellen Anwendungen zu erfüllen. Das Portfolio unterstützt eine Reihe von Schnittstellen und Formfaktoren. (me)

* Katrin Zinn ist Technical Marketing Manager bei Hyperstone

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